NO750374L - - Google Patents

Description

Kraf tforsyningsonhet

Foreliggende oppfinnelse angår en kraftforsyningsenhet av den type som er beskrevet i ingressen til nedenstående patentkrav 1.

Hovedproblemet med slike kraftforsyningsenheter er at reservebatteriet under oppladning skal tilføres en høyere spenning enn det selv kan levere under utladning. Spenningen til reservebatteriet varierer også. betraktelig i avhengighet av dets ladetilstand. Således kan en blyakkumulator variere i spenning mellom 2,4 V - 1,75 V pr. celle.

Imidlertid krever ofte belastningen en ganske konstant spenning. Telekommunikasjonssentraler med elektronisk utstyr funk-sjonerer således bare tilfredsstillende i spenningsområdet 52-44 V.

Det er tidligere utviklet tre hovedtyper av systemer for å løse problemet. Den enkleste løsningen er å oppdele reservebatteriet i minst to seksjoner. Under feil i vekselstrømslinjén, f.eks, i nettet, vil batterispenningen gradvis avta og når spenningen er sunket under en akseptabel grense, må noen flere celler som benevnes endecaller, automatisk bli koblet inn i kretsen for at man påny kan få et akseptabelt spenningsnivå.

De viktigste ulemper med dette systemet er at endecellene krever et spesielt ladeutstyr som må overvåkes, at bryterne som kobler inn endecellene i kretsen ofte vil svikte fordi de betjenes bare noen få ganger hvert år, og det er dessuten svært komplisert å. bygge opp slike systemer for automatisk lading av alle cellene.

Den andre kjente løsningen er å forbinde noen spenningsfor-brukende elementer i serie med batteriet under vekselstrømsdrift, mens klemmenspenningen er for høy for belastningen. Por å få en

korrekt spenning ved belastningen blir noen energiforbrukende elementer, f.eks. seriekoblede dioder, anbragt mellom reservebatteriet og belastningen. Disse seriekoblede dioder blir da kortsluttet under feil i vekselstrømsnettet når effekten til-føres fra batteriet.

Dott© systemet omfatter de samme ulemper som det ovennevnte system, og dessuten vil det forekomme et betydelig varmetap i de energiforbrukende elementer under normal nettdrift. Por å unngå dette må det benyttes et kjøleanlegg 1 forbindelse med et slikt system.

Den tredje eksisterende løsning omfatter en likespennings-omformer som drives av batteriet, og som i avhengighet av de til enhver tid forekommende energikrav fra belastningen, genererer en likespenning som enten føyes til eller trekkes fra likespenningen til likeretteren. Denne likeSpenningsomforroeren blir, som sagt, drevet av reservebatteriet.

Dette systemet er relativt komplekst i oppbygning, og det oppstår derfor i slike systemer relativt ofte driftsuregelmessig-heter, og systemet har dessuten en lav virkningsgrad.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en ny kraftforsyningsenhet som gjør bruk av et reservebatteri, og som ikke medfører noen av de ovennevnte ulemper.

Dette oppnås ved å utforme kraftforsyningsenheten i overensstemmelse med de nedenfor fremsatte patentkrav.

Man kan med andre ord si at foreliggende oppfinnelse representerer utviklingen av en spenningskilde som er rettet imot likeretter spenningen, og som ikke er effektforbrukende, og som dessuten på enkel måte kan sløyfes under nettbortfall.

For å gi en klar og utvetydig forståelse av foreliggende oppfinnelse vises til nedenstående detaljerte beskrivelse av en utførelse av oppfinnelsen og til de ledsagende tegingér, hvor: Fig'. 1, viser et prinsippskjaraa for en kraftforsyningsenhet , i henhold til foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 viser et mer detaljert skjema for en spesiell løsning ay kraftforsyningsenheten i henhold til fig. 1, Figurene 3, 4, 5 viser spenningsdiagrammer som er benyttet for å forklare virkemåten til foreliggende oppfinnelse, Fig. 6 viser et funksjonsdiagram for styringskretsen 8 i fig. 2, V Fig. 7 viser hvordan det er mulig ved hjelp av en kraftfor-, syningsenhet 1 henhold til foreliggende oppfinnelse å tilveie-, bringe en liten tilleggsspennihg til batterispenningen enten fra et dieselaggregat eller fra selve batteriet, og Fig. 8 viser prinsippet for et 3-fase arrangement, av foreliggende oppfinnelse.

I fig. 1 angir blokken 1 hovedlikeretterkretsen som avgir energi både til reservebatteriet 2 og til belastningen 3, som f.eks. kan være en telekommunikasjonssentral. Blokken 4 angir en omformer som blir koramutert av vekselstrømslinjen og som styres av styringskretsen 8, benevnelsene 5 og 6 angir henholdsvis den induktive og den kapasitive delen av et filter, benevnelsene 7 angir to sikringer og 9 angir vekselstrømslinjen som vanligvis representeres av nettet.

Virkemåten for kraftforsyningsenheten er forklart nedenfor. Likeretterkretsen 1 avgir energi både til reservebatteriet

2 og belastningen 3. Formålet med omformeren 4 er å omdanne en

styrt del av likespenningen som tilføres fra likeretterkretsen til en vekselspennihg som deretter føres tilbake til likeretterkretsen 1, eller endog helt tilbake til vekselstrømsnettet 9. Styringskretsen 8 fastlegger hvor stor del av likespenningen som skal omformes i hvert øyeblikk, i avhengighet av spenningen som detekteres over belastningen 3 (eller strømmen som detekteres i belastningen 3). På denne måten vil belastningen alltid få de ønskede arbeidsbetingelser uavhengig av strømforbruket og klemmespenningen til batteriet 2.

I et aktuelt tilfelle med en blyakkumulator og en belastning som krever en nominell spenning på 48 V, vil de følgende verdier kunne betraktes som typiske.

Klemmespenningen til hver akkuraulatorcelle kan variere mellom 1,75 V - 2,4 V. Et batteri på 25 seriekoblede celler vil da i fullt ladet tilstand få en utgangsspenning på 2,23 V . 25 « 55,7 V. Omformeren 4 må derfor ta hånd om rundt regnet 7,5 V llkespenning som av omformeren skal omdannes til vekselspennihg og føres tilbake til vekselstrømslinjen med et minst mulig energitap. Imidlertid fastlegger styringskretsen 8 for et hvert øyeblikk hvor stor del av spenningen som skal omformes.

En av de enkleste måtene for å omforme den uønskede del av likespenningen til en veksel3penning og deretter føre denne tilbake til vekselstrømsnettet på, er vist i fig. 2.

Her er de samme benevnelsene benyttet som i fig. 1 så sant det er mulig.

Hovedlikeretterkretsen 1 er vist som en styrt enfaset tyristor-brokobling som omfatter to dioder Dl, D2 og to tyristorer Tl, T2. Den styres av en styringskrets 15 som kan være utført på konvent sjonell måte og har til formål å sørge for at likeretteren avgir tilstrekkelig energi både til batteriet og til belastningen. Dette kan oppnås ved å teste strømmen og/eller potensialet som avgis fra likeretteren ved punkt 14 på figuren, og la denne test-verdien representere inngangen til styringskretsen. På figuren blir energien til likeretteren tilveiebragt fra en sekundær-

vikling 12 på transformatoren. Fra en annen sekundærvikling 13, fortrinnsvis på samme transformator, blir omformeren 4 onergisert. Denne omformeren omfatter i sin enkleste utførelse to tyristorer TA, TB som styres fra styringskretsen 8 på en slik måte at en av tyristorene alltid vil være ledende. Styringskretsen 8 ér over linjen 16 forbundet med vekselspenningslinjen 9 og tyristorene TA og TB kan derfor bli koramutert i synkronisme med vekselstrøms-nettet. Dette representerer det viktigste trekk ved foreliggende system da det er nødvendig å føre effekten som forbrukes av omformeren, tilbake til vekselspenningslinjen. Den gjenstående del

ay fig. 2 vil være selvforklarende når den sammenlignes med fig.

I*Det er ikke nødvendig å konstruere hovedlikeretterkretsen

som eh styrt likeretter. Dot eneste kravet til denne likeretteren 1 er at den må levere tilstrekkelig effekt til utstyret.

Virkemåten for denne kretsen vil nå bli forklart under hen-visning til spennings- og strømkurvene som er vist 1 figurene 3,

4 og 5. For å forenkle diagrammene er bare spenningen som skyldes

den ene tyristoren (f.eks. TA) vist. Toristoren TB vil da tilveiebringe en spenning som er 180° faseforskjøvet, men forøvrig er identisk.med de viste kurver., Fig. 3 viser spenningen som til-føres fra likeretterkrets 1 som en funksjon av tiden, fig. 4

viser spenningen som forbrukes av den vekselspenningskommuterte omformeren 4, også denne som en funksjon av tiden, og endelig viser fig. 5 forskjellen mellom signalene som fremgår av figurene 3 og 4, og denne, forskjellen vil da representere spenningsfor-bruket som sees fra primærvikllngen 11 til transformatoren. I alle figurene 3, 4 og 5 representerer kurven som er tegnet med brutt linje, den innkommende vekse lspenn.ing som en funksjon av tiden. Den stiplede pulsen i fig. 5 er frembragt av den andre tyristoren TB.

Spenningen V 1 som avgis av likeretteren 1, er i prinsipp

vist i fig. 3. Tidspunktet ti når. spenningspulsen starter, blir fastlagt av styringskrets 15 i overensstemmelse med den detekterte strøm i punktet 14. Dersom batterispenningen er lav og en relativt høy ladestrøm er nødvendig, så vil tidspunktet ti forskyves mot venstre

og integralet VI dt vil få en høyere positiv gjennomsnittsverdi.

Det skal bemerkes at varigheten av hver spenningspuls (t2 - ti) alltid tilsvarer en vekselspehningsvinkel på 180°. Hvis derfor tidspunktet ti forskyves, vil tidspunktet t2 forskyves tilsvarende.

Spenningsforskjellen mellom de to punktene 17 og 18 i fig, 2 er spenningen-V^ som enten kan beskrives som spenningen som forr brukes i omformeren 4 eller den motsatt rettede spenning som genereres av omformeren 4. Her vil den første beskrivelsen bli benyttet da omformeren i virkeligheten forbruker en del av den ut-viklede energi i likeretterkretsen 1 eller riktigere, transfor-merer denne del av energien tilbak©til vekselspenningslinjen.

Styringskretsen, 8 vil styre tyristorene i den vekselspenningskommuterte omformeren 4 som vist i.fig. 4. Derfor vil tidsinte-gralet til spenningen bli negativt. På grunn av drosselen 5 vil hver tyristor 1 omformeren 4 bli holdt ledende i 180 , Den nøy-aktige angivelsene av tidspunktene t3 og t4 blir gitt av styringskretsen 8 i avhengighet av den detekterte belastnigsspenning eller belastnlngsstrøm. bet skal påny bemerkes at en av tyristorene TA eller TB alltid er ledende.

Den forbrukte spenning som sees fra vekselstrømslinjen vil

nå være V1-V4. Denne spenningsdifferarisen er vist i fig. 5. Og dette viser klart at spenningen som forbrukes i omformeren 4, mates tilbake til vekselstrømslinjen eller sagt på en annen måte,

at kraftforbruket i omformeren 4 ikke blir bortkastet eller om-formet til varme. Pulsene VTA skyldes tyristoren TA, mens pulsen VTB forårsakes av tyristoren TB.

Det er Ikke nødvendig å energisere likeretterkretsen 1 og omformeren 4 fra én og samme transformator. De kan like gjerne bli energisert fra individuelle transformatorer. Det skal også bemerkes at dette systemet er et modulsystem da flere omformere 4 kan tilføyes i parallell for å frembringe en høyere belastnlngs-strøm.

En mulig utførelse av styringskretsen 8 er vist i fig. 6. Da kretsene kan realiseres på mange i og for seg kjente måter

under bruk av kjent teknologi, er diagrammet bare vist som et funksjonsdiagram.

Formålet méd denne styringskretsen 8 er å tenne tyristorene TA og TB ved korrekte tidspunkt i forhold til vekselspennings-linjens fase, og å sikre at én av tyristorene alltid er ledende. Dette kan gjøres-ved kretsen som er vist, og som omfatter de følgende kretselementer.

Kraftforsyningsdelen 21 omfatter en transformator, like-retterdlbder, et filter og Zenerdioder. Denne kretsen er koblet

,til vekselspenningslinjen over klemmen AC, og gir en stabilisert likespenning til de elektroniske komponter i styringskretsen.

Synkroniseringsenheten 22 frembringer firkantpulser som er synkrone med vekselspenningen til nettet. Dette kan oppnås! ved ganske enkelt å benytte en forsterker og begrenser, knyttet til vekselspenningskilden.

Styringsvinkelkretseno 23 og 24 skal tilveiebringe trigge-pulser med en variabel fas©i overensstemmelse med vekselspennlngs-inngangen. Den variable fasevinkelen blir fastlagt av strømjuste-ringskretsen 27 og/eller spenningsjusteringskretsen 28 som til-føres en referansespenning fra klemmen P, og detekterer belastnings strømmen og/eller belastningsspenningen over inngangene. L.

Pulsformingskretsen 25 er en såkalt JK fllp-flop som trigges

av kretsene 23 og'24 og er synkronisert med vekselspenningslinjen;

Denne kretsen frembringer en firkantpuls med en fase a 1 forhold

til vekselspenningsinngangen. Når signalnivået er høyt, vil tyristoren TA være PÅ, dg når signalnivået er lavt, vil tyristoren TB være PÅ.

lffektforsterkeren 26 omfatter en pulsomforraer og effekt-transistorer, og den skal forsterke pulssignalene fra pulsformig-kretsen 25, utgjøre et galvanisk skill© mellom de elektroniske

kretsene og tyristorene og skal endelig over klemmene T forsyne tyristorene med en konvensjonell spenning.

Strømjusteringskretsen 27 kan være en operasjonsforsterker som fører et signal til kretsene 23 og 24 nettop i det øyeblikk da omformeren skal gi en,strømbogrensning. Spenningsjusteringskretsen 28 kan også være en operasjonsforsterker som detekterer belåstnirigs-spenningen og sammenligner denne med referansespenningen.

Normalt vil spenningsjusteringskretsen 28 da styre systemet.

Bare når den maksimale belastningsstrøm er nådd, vil strømjuste-ringskretsen tre i funksjon. Denne styringskretsen må selvfølgelig modifiseres når den skal benyttes for ét 3-fase system, eller hår den skal styre flere kon-vertere 4 som arbeider i parallelldrift*

Når det oppstår feil i vekselspenningstilførselen, må styringskretsen 8 styre tyristorene på en slik måta at minst én av dem er PÅ. For store strømmer kan det endog være nødvendig å arrangere det slik at alle tyristorene holdes i sin PÅ-tilstand under bortfall av nettet. Dermed vil overbelastning av de enkelte tyrlstorer unngås.

Under bortfall av vekselspenningen i nettet vil batteriet ganske enkelt forbindes over én eller flere tyristorer til belastningen 3.

Med et system ifølge foreliggende oppfinnelse er det også mulig å tilføye en likespenning til batterispenningen under feil i likespenningstilførselen. Da må styringskretsen 8 styre tyristorene på en slik måte at gjennomsnittsverdien til spenningen V4

er positiv, dvs. at TA-TB må være ledende før den maksimale spenningen inntreffer.

Denne kraftforsyningsenheten er derfor svært fleksibel da det er mulig å la enten et lite diesel-vekselstrømsaggregat (eller endog en liten DC/AC-omformer) frembringe en liten tilleggsvekselsspen-nlng til omformeren 4 som ganske enkelt tilføyer en tilsvarende likespenning til batterispenningen. Med konvensjonelt kraftfor-syningsutstyr er det nødvendig å la det ekstra kraftaggregatet både lade batteriene og i tillegg energisere belastningen. Derfor trenges i konvensjonelt utstyr et relativt stort aggregat. Med dette nye systemet er det mulig å la reserveaggregatet bare tilveiebringe den effekt som kreves i tillegg til batterieffekten.

Prinsippet for en slik løsning er vist i fig. 7. Vekselspenningslinjen er da falt ut, og batteriet forsyner belastningen 3. Mår batterispenningen gradvis reduseres idet batteriet ut-tappes, vil en liten tilleggsspenning tilføyes enten: ved å vende bryteren 40 oppover. Da vil det lille aggregatet 41 starte og tilfør© en liten vekseIspenning til omformeren 4. Styringskretsen 8 vil nå styre tyristorene på en slik måte at omformeren frembringer en liten tilleggslikespenning som er tilstrekkelig til å energisere belastningen. Fordelen er at bare et svært lite aggregat trenges, eller

ved å snu bryteren 40 nedover. Da vil en liten effekt

fra selve batteriet benyttes til å betjene en DC/AC-omformer 42 som i sin tur forsyner omformeren 4 med en tilstrekkelig høy vekselspenning til å gi den ønskede tilleggsspenning på utgangen. På denne måten kan belastningen 3 arbeide i lenger tid, men batteriet vil bli kraftigere utladet enn under normal drift.

Endelig skal det nevnes at løsningen i henhold til foreliggende oppfinnelse lett kan tilpasses for et 3-faseanlegg.

Et mulig.3-fasearrangement ©r vist i fig. 8. Her er det ikke energiserIngen av hovedlikeretteren 1 vist, men den kan f.eks. være energisert fra en separat sekundærvikllng på transformatoren eller fra en fullstendig separat transformator. Den viste løsning representerer et 3-puls, enveis arrangement,' Rer omfatter omfor*-meren 4 tre tyristorer, en i hver fåae. Disse tyristorer blir da ved hjelp av styringskretsen 8 styrt slik at de åpnes ved tids-punkter som ligger 120° ut av fase.

På lignende måt© kan dat benyttes,en toveis likoretterbro, en stjernekobling, en trekantkobling eller en dobbelt stjerne-kcbling uten atman bryter prinsippet for foreliggende oppfinnelse.

Claims (16)

1. Kraftforsyningsenhet som er av likespennlngstypen forsynt med et reservebatteri (2)> og som fra en vekselspennings-kilde forsyner en belastning (3) som fordrer en relativt konstant, stabilisert likespenning, med energi, hvilken belastning (3) under normal vekselspenningsdrift mottar likespenning fra en likeretter (1) som mates fra vekselspenningskilden (9) mens belastningen under feil i vekselspenningskilden mottar likespenning fra reservebatteriet (2) og hvor likeretteren (1) under normal drift også automatisk sørger for å holde reservebatteriet (2) fullstendig oppladet, karakterisert ved a t en omformer (4) som kommuteres av vekselspenningen, er anbragt mellom belastningen (3) og likeretteren (1) og at denne omformer holder likespenningen som under normal drift tilføres belastningen (3) konstant ved å

•,frembringe en variabel tilleggsspenning som legges til eller trekkes fra spenningen til likeretteren i avhengighet av ladetil-standen til batteriet.

2. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at den vekseIspenhingskomrauterte omformeren styres av belastningsstrømmen og/eller, belastnings spenn ingen på en slik måte at arbeidsbetingelsene for belastningen vil være tilfreds- stilt uavhengig av den foreliggende ladetilstand for batteriets

3. Kraftforsyningsenhet ifølge, krav 1 eller 2, karakterisert ved at tilleggspenningen som genereres av omformeren som kommuteres av vekselstrømslinjen er rettet imot spenningen til reservebatteriet.

4. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at reservebatteriet under bortfall av nett-spenningen blir direkte forbundet raed belastningen over omformeren som kommuteres av vekselstrømslinjens spenning.

5* Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1,-2, 3© Iler 4, karakterisert vedat omformeren som kommuteres av vekselspenningen omfatter minst ett sett likerettere (TA, TB), at disse styrte likerettere blir styrt,på en slik måt© at en av dem til enhver tid er ledende, og at hver styrt likeretter holdes i sin ledende tilstand i 360°/n i forhold til veksellinjens spenning, idet n er antall faser i vekselspenningén,

6. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1, 2, 3, 4 eller .5, karakterisert v é å\ at null-gjennomgangene til spenningen som genereres av likeretterkretsen (1) er synkrone med null-gjenhomgangene til tilleggsspenningen som genereres av omformeren som kommuteres av vekselspenningsnettet.

7. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1,.2, 3, 4, 5 eller 6, karakter..! sert ved at likeretterkretsen (1) også inneholder styrte likeretterkomponenter (T 1, T 2).

8. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1, 2, 3, 4, 5, 6 eller 7, karakterisert ved at likeretterkretsen (1) enérgiseres fra eh første sekundærspol© (12) på en transformator (T) og at omformeren som kommuteres av vekselspenningen på nettet blir© nergisert fra en annen sekundærspole (13) på samme transformator .

9. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1,2, 3, 4, 5, 5, 7 eller 8, karakterisert vedat likeretterkretsen (1) og omformeren som kommuteres av vekselspenningen på nettet, blir energisert fra to forskjellige kilder, f,eks. fra to ulike transformatorer.

10. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 7, 8 eller 9, karakterisert vedatde styrte likerettoreleraenter i likeretterkretsen (1) styres av en første styringskrets (15) slik at den frembringer tilstrekkelig likestrømséffekt til å lade reservebatteriet og til samtidig å holde belastningen (3) i drift, og at en annen styringskrets (8) styrer de styrte likeretterelementene :(TA, TB) i omformeren som styres av vekselspenningsnettét, på en slik måte at en korrekt likespenning føres til belastningen.

11. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 10, karakterisert ved at den andre styringskrets (8) genererer et pulsformet styringssignal (boks 25, fig. 6) som skifter mellom to nivåer og er fasefbrskjøvet i forhold til vekselspenningen på nettet, hvilken styrespenning vekselsvis gjør den første, henholdsvis den andre, tyrlstor (eller den første henholdsvis den andre tyristor i hvert sett av tyriatorer) ledende, idet faseforskyv-ningsvinkelen fastlegges av en belastningsstrøm og/ellér en be-lastningsspennings detektering*

12. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 eller 11, karakterisert ved at den benyttes for drift på et 3~ fase nettverk.

13. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 eller 12, karakterisert ved at omformeren (4) som kommuteres fra vekselspenningsnottet, under bortfall av veksels£ >enningsnettet drive3 av en separat kraftkilde og styres slik at den frembringer en liten tilleggsspenning til batteri-spennlngén.

14. -Kraftforsyningsenhet ifølge krav 13, karakterisert ved at den separate energikilde ér et lite vekselspennings-aggregat (41).

15. Kraftforsyningsenhet ifølge krav 13, karakterisert vedat den separate energikilde er en liten vekselretter (42) som energiseres enten fra et separat batteri eller fra selve reservebatteriet (2).

16. Kraftforsyningsenhet ifølge ett av kravene (1-2 eller 4-12), karakterisert ved at styringskretsen (8) styrer omformeren (4) som kommuteres av vekselspenningslinjen slik at dén tilveiebringer en liten tilleggspennlng til batterispenningen når klemmespenningen til batteriet er eketraordinert lav.